如今的燃氣輪機必須既又極為靈活——西門子全新HL級燃氣輪機能夠滿足這一要求。HL級燃氣輪機適于供應(yīng)基礎(chǔ)發(fā)電量，同時用作可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的備用系統(tǒng)，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實現(xiàn)高達63%以上的發(fā)電效率。更重要的是，西門子計劃在中期內(nèi)將HL級燃氣輪機的發(fā)電效率提高至65%。

西門子大的燃氣輪機在柏林的生產(chǎn)歷史已有110多年。目前，西門子燃氣輪機中的旗艦產(chǎn)品是SGT-8000H系列，范圍內(nèi)已有57套SGT-8000H燃氣輪機投入商業(yè)運行。其發(fā)電效率高達61.5%，這是2016年在杜塞爾多夫Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠測得的數(shù)據(jù)。 然而，現(xiàn)在西門子發(fā)布的HL級燃氣輪機進一步提高了發(fā)電效率，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實現(xiàn)高達63%以上的發(fā)電效率。西門子發(fā)電與天然氣集團銷售總裁Karim Amin解釋道，“新的燃氣輪機進一步優(yōu)化了H級的成熟設(shè)計。”

為了實現(xiàn)更高燃燒溫度，西門子工程師優(yōu)化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。

針對更高燃燒溫度而設(shè)計

更高燃燒溫度是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵要素。全新HL級燃氣輪機將燃燒溫度提高了約100開爾文。為了實現(xiàn)這一點，西門子工程師優(yōu)化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。西門子大型燃氣輪機產(chǎn)品經(jīng)理Guido Schuld解釋道，“高溫會在陶瓷涂層與葉片金屬之間產(chǎn)生很高應(yīng)力，這將導(dǎo)致涂層開裂。因此，我們使用激光器將表面陶瓷涂層切割成一個個方塊。這可以減輕應(yīng)力，因為這些方塊可以像高速路路面混凝土板一樣朝著對方擴展。這樣，我們就可以使用更厚涂層和更高溫度。”然而，渦輪葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有助于增強部件的耐高溫性能。譬如，采用新型鑄造工藝，開發(fā)人員進一步優(yōu)化了葉片的風冷通道，從而改善散熱效果。

優(yōu)化壓氣機進一步提高發(fā)電效率

工程師還改進了燃氣輪機進氣口處的壓氣機。經(jīng)改進后，它現(xiàn)在只有12個壓縮級，比SGT-8000H系列少1級。這可節(jié)省發(fā)電裝置內(nèi)部空間和燃氣輪機運輸所需空間。為確?？諝饨?jīng)充分壓縮，我們調(diào)節(jié)了壓氣機葉片，以實現(xiàn)氣動效率。Schuld表示，“可以將之與飛機翼尖做比較，為避免惱人的湍流，翼尖是彎曲的。此外，我們使用更先進的仿真技術(shù)，計算并優(yōu)化了壓氣機的各個級在諸如氣候和工況等不同條件下的相互作用。”

提高發(fā)電效率有許多好處。對于天然氣價格較高的國家，其益處是，提高發(fā)電效率能為發(fā)電公司大大節(jié)省成本。譬如，許多亞洲國家就是這種情況，它們依賴于油輪運輸?shù)妮^為昂貴的液化天然氣（LNG）。Amin說：“我們的研究表明，相比于SGT-8000H系列，新的HL級燃氣輪機可將發(fā)電成本再降低5%。得益于此，在天然氣價格較高的國家，每年每臺燃氣輪機可以節(jié)省1500萬到2000萬美元成本。另外，新型燃氣輪機可以減少排放二氧化碳，因為實現(xiàn)相同發(fā)電量所需燃料更少。”

可再生能源發(fā)電的搭檔

先進的燃氣輪機不僅必須極其——隨著可再生能源發(fā)電在電力構(gòu)成中的占比越來越大，它們還必須實現(xiàn)靈活性。陰天或無風的時候，燃氣電站必須接替可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，確保穩(wěn)定供電。然而，要做到這一點，電站運營者必須能夠迅速啟動和關(guān)閉這些發(fā)電裝置。在這方面，新的HL級燃氣輪機也青出于藍而勝于藍。HL級燃氣輪機啟動時的性能爬升速率為每分鐘85 MW，比SGT-8000H系列高30 MW。Amin表示，“這使得HL級燃氣輪機成為可再生能源發(fā)電的搭檔。”

配備SGT5-8000H燃氣輪機，杜塞爾多夫Lausward電廠Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠仍然是具可持續(xù)發(fā)展性的發(fā)電裝置之一。

為了改良新的HL級燃氣輪機，以滿足世界各地的客戶各不相同的要求，自2015年開始研發(fā)以來，來自許多不同西門子業(yè)務(wù)部門的代表參與了研發(fā)過程，包括戰(zhàn)略專家和銷售專家，以及工程師和制造專員及服務(wù)專員。

3D打印的燃氣輪機部件

為了進一步縮短研發(fā)周期，西門子采用了新型制造技術(shù)。在柏林的工廠就可以看到一種這樣的技術(shù)。在那里，隔著3D打印機的玻璃窗板，激光束掃過金屬粉末。激光束所到之處，火花熠熠，一個部件就這樣逐層制造出來。3D打印加快了原型部件的生產(chǎn)和測試，有助于盡早提供新技術(shù)。西門子的新型制造工藝專家Ingo Kelbassa指出，“增材制造特別適合燃燒器和燃氣輪機的高溫部件。3D打印開辟出全新的設(shè)計空間。譬如，它使我們得以優(yōu)化渦輪葉片內(nèi)部的風冷通道。”

新的西門子燃氣輪機經(jīng)專門設(shè)計，可輕松連接至西門子為電廠運營者提供的數(shù)字服務(wù)。它們亦可連接至MindSphere——西門子基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。MindSphere提供了許多強大的分析工具，以便客戶直接洞悉機器的運行數(shù)據(jù)，幫助他們做出決策。

西門子已經(jīng)在柏林工廠以及德國首都附近的清潔能源中心，對新的HL級燃氣輪機進行了廣泛深入的測試。西門子計劃于2018年年中，在合作伙伴之一、北卡羅來納州的Duke Energy公司的場地上建造臺HL級燃氣輪機發(fā)電裝置。這個發(fā)電裝置的燃氣輪機將接入當?shù)仉娋W(wǎng)，并于2020年開始投入運行。新的HL級燃氣輪機將為進一步的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。Amin說：“我們希望在中期內(nèi)，HL級燃氣輪機的發(fā)電效率可達到65%。”